隨着半導體代工廠應對晶體管小型化的挑战，研究人員正在探索新材料和技術以增強下一代芯片性能，這是先進半導體技術不斷發展的一個關鍵焦點。現在，英特爾正准備通過其背面電源連接提供最新的一系列技術創新，這有助於減少功耗並提高設備性能。傳統的電力傳輸在半導體中面臨哪些挑战，新的背面電力傳輸方法如何工作，以及未來設備中還將部署哪些其他方法？
電力傳輸的挑战
自從60 多年前推出第一批器件以來， 集成電路已經經歷了無數的變化。隨着每一代新一代芯片的出現，晶體管變得更小、速度更快，這也導致它們消耗的功率更少。
然而，這種晶體管縮放導致更多組件集成到同一空間中，從而導致總體功耗增加，這是高性能計算中的一個關鍵問題。這就是爲什么每個新系列的 CPU 和 GPU 等高密度設備消耗的電量都越來越多；現代台式機 CPU 功耗超過 100W 的情況並不罕見。
深入研究功耗難題，這不僅僅是將更多晶體管封裝到芯片中。我們看到半導體行業向創新材料發生了令人着迷的轉變。英特爾對新型半導體化合物的嘗試改變了遊戲規則，旨在解決導電路徑中的固有電阻。這不僅僅是技術上的調整；這是重新定義芯片效率和性能的一大進步，此舉可能會重塑我們對半導體能力的期望。
雖然較大的芯片可以控制高功耗，從而實現有效的熱量分布和使用大型散熱器，但這對於緊湊型半導體設計（例如移動設備和物聯網應用中使用的設計）來說是一個重大挑战。但隨着芯片尺寸的減小，此類設備的熱密度如此之大，以至於冷卻可能具有挑战性，並且在某些情況下需要液體冷卻機制。對於緊湊型設計（例如服務器機架）來說，這也是一個問題，因爲幾乎沒有空間容納大型散熱器。
因此， 芯片制造商必須嘗試識別功耗來源 ，並嘗試徹底消除它們或盡可能減少它們。例如，導電路徑的自然電阻會導致少量能量損失，從而直接產生熱量，因此芯片制造商可以嘗試減少所用導體的總長度以及選擇電阻較低的材料。
另一種選擇是以設備運行的速度爲目標，因爲動態功耗隨着頻率的增加而迅速增加。當然，降低設備速度會直接影響性能，因此芯片制造商通常會採用低功耗模式，在空闲時關閉性能核心或降低核心速度。
但其中一個特別難解決的領域 是電力輸送。典型的平面器件從有源層开始，其中包括晶體管結構和摻雜區域。
第一層之後的下一層包括這些晶體管的柵極以及晶體管之間的關鍵互連，而在此之後的下一層是形成附加互連的第一金屬層。每增加一個新層，互連的寬度和厚度都會增加，以降低功耗並提高性能。
然而，雖然這種設計方法在過去運行良好，但存在一個獨特的問題，即功率走线長度，會導致大量功率損耗。簡而言之，由於電源連接需要從頂層开始，因此連接到電源軌的每個晶體管在每層之間都需要有許多過孔，因爲電源連接器從頂部开始並向下進入第一層。
隨着層的每次變化，連接器寬度的減小增加了電阻損耗，並且過孔的使用會在層之間形成邊界，這本身會引起額外的損耗。這也意味着電源线的散熱也會擴散到芯片的其余部分，包括用於處理信號的互連。
深入研究現代芯片的分層復雜性，很明顯傳統的電力傳輸方法正在變得有點像走鋼絲。當我們將更多的東西塞進這些硅奇跡中時，挑战不僅在於管理功率，還在於掌握熱管理的藝術。這是一種微妙的平衡，英特爾似乎正在通過其創新的背面供電來正面解決這一問題。這不僅僅是爲了讓事情保持冷靜；而是爲了讓事情保持冷靜。它是關於重新思考電源如何與芯片的每個部分相互作用，確保性能不會在激烈的時刻消失。
背面供電成救星
認識到典型平面技術面臨的挑战，英特爾展示了其 在开發新的電力傳輸機制方面取得的成就 ，他們表示這將有助於減少電力損耗，並且對於未來的 1nm 節點至關重要。這種新概念被稱爲“背面電源和直接背面接觸”，它與傳統設計不同，因爲所有電源連接都是從晶圓的底部而不是頂部進行的。
這種背面設計的使用意味着電源連接器不需要圍繞信號线編織，而是直接連接到晶體管的底部。這不僅顯着減少了電源线的長度，而且還減少了將電源輸入晶體管所需的過孔數量。這種設計還允許電源連接器保持寬和厚，從而減少電阻損耗。
新概念還與直接背面接觸相結合，它暴露了芯片底部的接觸點，而不是將所有接觸點都帶到芯片的頂部。這不僅有助於增加接觸密度（因爲頂部不再需要電源連接器），而且還有助於分離電源线和信號线，從而提高信號完整性。
未來的解決方法
隨着現代設備的特徵尺寸接近亞納米世界，工程師將需要部署各種獨特的解決方案來解決所面臨的挑战。雖然硅已被證明是一種非常適合現代應用的半導體，但在遙遠的將來它可能會被其他競爭者取代。
其中一種候選者可能是石墨烯，因爲它不僅可以被制成具有超導特性，而且可以輕松操縱以產生各種獨特的能力，包括形成能夠捕獲量子計算所需粒子的復雜 3D 結構。然而，由於石墨烯很難大規模生產，因此在不久的將來它還遠遠不能成爲硅的可行替代品。
展望未來，半導體設計的未來將擁抱小芯片架構，其中集成電路封裝包含多個較小的芯片，這一趨勢在先進電子制造中越來越受歡迎。這不僅爲工程師提供了足夠的設計靈活性，而且還有助於降低功耗，因爲只有絕對需要的電路才會集成到設計中。
定制硅設備，例如蘋果公司展示的設備，也可能變得越來越重要。由於定制硅器件僅集成設計絕對需要的電路，因此與任何現成的解決方案相比，它們始終提供最佳的每瓦性能。
工程師可以將許多技術部署到半導體中來嘗試降低能耗，這意味着我們可以期待在未來幾年看到各種令人興奮的技術。然而，關於背面供電的引入可以說是它引入了一個全新的概念，很可能會改變未來芯片的制造方式。
當我們審視半導體技術的進步，特別是英特爾的背面供電技術時，我們會發現這不僅僅是芯片制造的飛躍，更是芯片制造的飛躍。它是多個行業轉型的催化劑。從汽車領域（高效的電源管理是電動汽車發展的關鍵）到醫療保健領域（增強的芯片性能可以徹底改變醫療設備和患者監護系統），連鎖反應是巨大的。
考慮人工智能和機器學習領域。在這裏，對高速、高效計算的需求是無法滿足的。背面供電和小芯片設計等創新不僅改善了現有系統，還改善了現有系統。它們正在爲更先進的人工智能算法鋪平道路，能夠更快地處理和更復雜的任務，同時消耗更少的電量。隨着我們越來越接近實現人工智能在日常應用中的全部潛力，這一點至關重要。
展望未來，這些半導體突破有望爲目前處於萌芽階段的技術提供支持。例如，量子計算將從這些進步中受益匪淺。在芯片中更有效地管理功率和熱量的能力可能是克服當前量子計算發展中的一些障礙的關鍵因素。
對於電子領域來說，這是一個激動人心的時刻。我們今天看到的創新不僅僅在於使設備更小、更高效；還在於使設備變得更小、更高效。它們旨在打开新的大門，探索未知的領域，並重新定義技術及其他領域的可能性。
標題：背面供電，爲何成爲選擇？
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